CN106053942A

CN106053942A - 压电陀螺的导纳圆测量方法及装置

Info

Publication number: CN106053942A
Application number: CN201610343283.9A
Authority: CN
Inventors: 张卫平; 欧彬; 唐健; 孙殿竣; 邢亚亮; 樊冬; 刘朝阳; 朱甲强
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2016-10-26

Abstract

本发明提供了一种压电陀螺的导纳圆测量方法及装置，包括：正弦波发生器，峰值及相位检测模块和计算机的数据处理模块；所述方法是通过测量装置给压电陀螺施加正弦波使其产生振动，当正弦波的频率与压电陀螺的某一模态的固有频率相等时，其导纳的实部取极大值，虚部接近于零；随着频率的改变，该模态在压电陀螺导纳的实部和虚部构成的坐标系上形成导纳圆。本发明为压电陀螺的等效电路提供了许多重要参数，提高了压电陀螺在驱动或检测电路中的可分析性，对压电陀螺的研究具有重要的价值。

Description

压电陀螺的导纳圆测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种压电晶体的导纳圆测量方法及装置，具体地，涉及一种压电陀螺的导纳圆测量方法及装置。

背景技术

陀螺仪作为一种载体角速度敏感惯性传感器，是惯性测量单元(IMU)中的核心器件，在航空、航天、船舶等传统工业领域的姿态控制和导航定位等方面有着非常重要的作用。微陀螺具有尺寸质量小、功耗低、成本低、环境适应性好、集成度高等优点，使其不仅在航空、航天、船舶等传统工业领域部分替代了传统陀螺仪，而且能够在汽车工业、工业自动化控制、消费电子的姿态稳定控制等市场领域以惊人的速度拓展。

等效电路指的是同一个电路的不同的表示方法。当电路中某一部分用其等效电路代替之后，未被代替的部分电压和电流均不发生变化，也就是说电压和电流不变的部分只是等效部分以外的电路，故称“对外等效”。元件的种类和位置都相同，但是在画电路时有不同的画线方法，就是等效电路。在许多情况下，人们常利用作用的效果相同，来认识和处理复杂的问题。现代电子技术中，在分析一些复杂电路时，人们常常只关注整个电路(或电路的某一部分)的输入、输出关系，即电流和电压的变化关系。这样就可以用一个等效电路代替复杂电路，使问题得到简化。

压电器件等效电路的参数测量方法有传输法、阻抗计法等。传输法是把压电元件插入一个传输线路中，测量整个网络的最大和最小传输频率，从而得到要测量的频率等参数。传输法具有测量方法简单、精确度比较高等优点，在压电材料和压电器件的研制和生产过程中，得到了非常广泛的应用。阻抗计法是最方便的测量方法之一，当测量某一特定频率附近的石英晶体时了预先适当地调整振荡回路电子元件的参数就可以比较精确地测量石英晶体的谐振频率等参数，但测量的精度相对较低。

压电圆盘微陀螺是一种基于科氏加速度效应的微机械振动陀螺，陀螺采用圆盘状的谐振结构，利用压电方式驱动和检测，工作在模态匹配的状态下。该陀螺的特别之处在于该陀螺的工作模态是厚度剪切方向上的振动，且驱动模态和检测模态为振型一样、相位正交的驻波振动。该圆盘表面有多个电极，其中有监测电极，驱动电极，检测电极和平衡电极。为了提高压电陀螺在驱动或检测电路中的可分析性，提出一种压电陀螺的导纳圆测量方法及装置是十分有必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种压电陀螺的导纳圆测量方法及装置，提高压电圆盘微陀螺在驱动或检测等电路中的可分析性。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案如下：

根据本发明的第一方面，提供一种压电陀螺的导纳圆测量装置，包括：正弦波发生器，峰值及相位检测模块和计算机的数据处理模块；其中：

正弦波发生器，用于产生正弦波，该正弦波经过功率驱动电路加在压电陀螺的驱动电极上，并使压电陀螺产生振动；

峰值及相位检测模块，该模块输入端获取压电陀螺两端的振动信号，两个信号经过放大、相乘和滤波处理，得到压电陀螺两端的电压峰值及相乘后的电压峰值，并输出给计算机的数据处理模块；

计算机的数据处理模块，该模块输入端获取压电陀螺两端的电压峰值及根据相乘后的电压峰值间接计算出的相位，通过模数转换器将模拟信号转换为数字量，并传给计算机，通过计算机的实时处理，最终得到压电陀螺的导纳的实部和虚部，绘成曲线和导纳圆，并且控制正弦波发生器产生不同频率的正弦波。

进一步的，所述峰值及相位检测模块包括：放大器、乘法器、滤波器，其中：压电陀螺两端的信号分别通过第一放大器进行放大，然后连接峰值检测电路测量它们的峰值，同时第一、第二放大器连接乘法器，将两个放大后的信号相乘得到一个新的信号，乘法器后面连接滤波器，滤波器在连接第三放大器，对新的信号进行滤波、放大，得到相位检测电压。

进一步的，所述数据处理模块包括AD转换模块、单片机、串口通信模块以及计算机，其中：AD转换模块与单片机连接，将峰值及相位检测模块得到的电压信号数字化，同时单片机通过与串口通信模块将数据传输给计算机，最终得到压电陀螺的导纳的实部和虚部，绘成曲线和导纳圆，并且计算机通过串口通信与单片机进行连接，从而用单片机控制正弦波发生器。

进一步的，所述正弦波发生器为可编程正弦波发生器，输出频率由计算机控制。

根据本发明的第二方面，提供一种压电陀螺的导纳圆测量方法，包括如下步骤：

S1：为压电陀螺串联一个精密电阻，同时给压电陀螺施加正弦波，使其产生振动，测量该精密电阻两端的电压幅值及两端的相位差；

S2：通过精密电阻两端的电压幅值及相位差，计算出该压电陀螺各种频率下的导纳；

S3：当正弦波的频率与压电陀螺的某一模态的固有频率相等时，其导纳的实部取极大值，虚部接近于零，横坐标表示电导(导纳的实部)，取纵坐标表示电纳(导纳的虚部)，随着频率的改变，该模态在压电陀螺导纳的实部和虚部构成的坐标系上形成导纳圆，从而完成压电陀螺的导纳圆测量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明用导纳圆数据处理方式对压电陀螺进行分析，测量装置简洁明了，可以直接得到压电陀螺等效电路的许多重要参数，快捷方便；频率分辨率高，针对性强，成本低廉，适用于许多复杂的测量环境。

本发明方法通过测量装置给压电陀螺施加正弦波使其产生振动，当正弦波的频率与压电陀螺的某一模态的固有频率相等时，其导纳的实部取极大值，虚部接近于零；随着频率的改变，该模态在压电陀螺导纳的实部和虚部构成的坐标系上形成导纳圆。本发明为压电陀螺的等效电路提供了许多重要参数，提高了压电陀螺在驱动或检测电路中的可分析性，对压电陀螺的研究具有重要的价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有技术中一种压电圆盘微陀螺的结构示意图；

图2为图1所示压电圆盘微陀螺的等效电路的结构示意图；

图3为本发明一实施例压电圆盘微陀螺的导纳测量原理图；

图4为本发明一实施例压电圆盘微陀螺的导纳圆示意图；

图5为本发明一实施例压电圆盘微陀螺的导纳圆测量方法示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图5所示，一种压电陀螺的导纳圆测量装置，包括：

作为一个优选方式，如图5所示，所述峰值及相位检测模块包括：放大器、乘法器、滤波器，其中：压电陀螺两端的信号分别通过第一放大器进行放大，然后连接峰值检测电路测量它们的峰值，同时第一、第二放大器连接乘法器，将两个放大后的信号相乘得到一个新的信号，乘法器后面连接滤波器，滤波器在连接第三放大器，对新的信号进行滤波、放大，得到相位检测电压。

作为一个优选方式，如图5所示，所述数据处理模块包括AD转换模块、单片机、串口通信模块以及计算机，其中：AD转换模块与单片机连接，将峰值及相位检测模块得到的电压信号数字化，同时单片机通过与串口通信模块将数据传输给计算机，最终得到压电陀螺的导纳的实部和虚部，绘成曲线和导纳圆，并且计算机通过串口通信与单片机进行连接，从而用单片机控制正弦波发生器。

作为一个优选方式，所述正弦波发生器为可编程正弦波发生器，输出频率由计算机控制。

本发明适用于压电陀螺，所述的压电陀螺采用的是压电材料。压电材料在外部力的作用下会产生电场，相反，当压电材料在外加电压作用下会伸展或收缩，这种特性被称为压电效应。压电效应是由于某些材料晶体原始单元中的电荷不对称性，从而导致形成电偶极子，在整个晶体内，这些偶极子效应的叠加产生整个晶体的极化，从而在材料内部产生电场。只有缺少对称中心的晶体才显现出压电特性。

在部分实施例中，如图1所示，本发明适用的压电陀螺可以是一种基于科氏加速度效应的微机械振动陀螺，该陀螺采用圆盘状的谐振结构，利用压电方式驱动和检测，工作在模态匹配的状态下。本实施例所述陀螺特别之处在于其工作模态是厚度剪切方向上的振动，且驱动模态和检测模态为振型一样、相位正交的驻波振动。所述陀螺的圆盘表面有多个电极，其中M1、M2、M3为监测电极，Dr1、Dr2、Dr3为驱动电极，S1、S2、S3为检测电极，B1、B2、B3为平衡电极。

如图2所示，为图1所示的压电陀螺的等效电路，所述压电陀螺的等效电路包括静态支路和动态支路，两个支路通过并联方式连接，其中静态支路只包括一个静态电容C0，动态支路由动态电阻R1、动态电感L1和动态电容C1串联而成。该等效电路是本申请测量技术的基础，该测量装置主要测试的是该等效电路中的一些电容，电感和电阻值。等效电路中静态电容表示陀螺在静止状态下电极之间的杂散电容；等效电路中的动态电阻、动态电容和动态电感分别表示陀螺的机械阻抗、机械柔量和机械质量。

测量时，该等效电路等价于压电陀螺，它有两个端口，其中任意一个端口连接正弦波发生器和峰值及相位检测模块中的第一放大器，另外一个端口接地，并且连接峰值及相位检测模块中的第二放大器。

同时该等效电路还有许多重要的参数：串联谐振频率Fs，并联谐振频率Fp。最大导纳频率Fm，最小导纳频率Fn，谐振频率(B＝0)Fr和反谐振频率(B＝0)Fa。

本发明上述装置，给压电陀螺施加正弦波，使其产生振动，当正弦波的频率与压电陀螺的某一模态的固有频率相等时，其导纳的实部取极大值，虚部接近于零，随着频率的改变，该模态在压电陀螺导纳的实部和虚部构成的坐标系上形成导纳圆。所述压电陀螺对不同的正弦波表现出不同的导纳特征，如果检测出有多个振动模态，则导纳圆的实部和虚部构成多个圆，当压电陀螺的静态电容变化时，导纳圆上下移动。

如图3所示，为一种压电圆盘微陀螺的导纳测量原理图，其中：Us是电源，产生频率可控的正弦波；和分别为压电陀螺两端与地之间的电压差；R为电源内阻；Rm为精密电阻，得到压电陀螺的复阻抗Z：

Z = \frac{{\overset{\cdot}{U}}_{A} - {\overset{\cdot}{U}}_{B}}{{\overset{\cdot}{U}}_{B} / R_{B}} = R_{m} [\frac{{\overset{\cdot}{U}}_{A}}{{\overset{\cdot}{U}}_{B}} - 1]

得到压电陀螺的总导纳为Y：

Y = \frac{1}{Z} = \frac{R}{R^{2} + X^{2}} + j \frac{X}{R^{2} + X^{2}}

X为复阻抗的虚部，j为复数的虚部单位。

基于上述的装置，提供一种压电陀螺的导纳圆测量方法，包括如下步骤：

本发明上述压电陀螺的导纳圆测量方法及装置可以得到其他许多重要的参数：

一，串联谐振频率Fs，表示压电陀螺的的工作频率点。

二，并联谐振频率Fp。

三，最大导纳频率Fm，此时的压电陀螺的阻抗最小。

四，最小导纳频率Fn，此时的压电陀螺的阻抗最大。

五，谐振频率(B＝0)Fr，表示阻抗相位为零的较低的频率。

六，反谐振频率(B＝0)Fa，表示阻抗相位为零的较高的频率。

具体的，如图4所示，以横坐标表示电导G(导纳的实部)、以纵坐标表示电纳B(导纳的虚部)，当频率在谐振频率附近的范围内发生变化时，电导的相矢终端轨迹为一圆，其圆半径为1/2R1，R1为等效电路中的动态电阻，同时可以得到压电陀螺的许多重要参数：过圆心的水平直线与圆的右交点所对应的频率为串联谐振频率Fs，该点与坐标原点进行连线，该连线与导纳圆的交点所对应的频率为并联谐振频率Fp。坐标原点与导纳圆的圆心进行连线，该直线与导纳圆的右交点所对应的频率即为最大导纳频率Fm。导纳圆与横轴的右交点所对应的频率为谐振频率F，与横轴的左交点所对应的频率为反谐振频率Fa。导纳圆的圆心与横轴的距离为ωsC0。在纵轴方向上，导纳圆的最高点的频率为F1，最低点的频率为F2。

在部分实施例中，采用可编程正弦波发生器，其输出频率是由计算机控制的，该正弦波经过功率驱动电路后加到压电陀螺的电极上，压电陀螺对不同频率的正弦波表现出不同的导纳特征，这些特征最终以压电陀螺两端的电压幅度和相位来体现。用相应的电路测量这些幅度和相位差，通过模数转换器变成数字量，将这些数据上传给计算机，利用计算机进行实时处理，不仅可以得到压电晶体导纳的实部和虚部，且还可同时将这些结果绘成曲线和导纳圆，并将测量过程中的有关测量数据实时地进行存储和显示。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种压电陀螺的导纳圆测量装置，其特征在于，包括：正弦波发生器，峰值及相位检测模块和计算机的数据处理模块；其中：

2.根据权利要求1所述的一种压电陀螺的导纳圆测量装置，其特征在于，所述峰值及相位检测模块包括：放大器、乘法器、滤波器，其中：压电陀螺两端的信号分别通过第一放大器进行放大，然后连接峰值检测电路测量它们的峰值，同时第一、第二放大器连接乘法器，将两个放大后的信号相乘得到一个新的信号，乘法器后面连接滤波器，滤波器在连接第三放大器，对新的信号进行滤波、放大，得到相位检测电压。

3.根据权利要求1所述的一种压电陀螺的导纳圆测量装置，其特征在于，所述数据处理模块包括AD转换模块、单片机、串口通信模块以及计算机，其中：AD转换模块与单片机连接，将峰值及相位检测模块得到的电压信号数字化，同时单片机通过与串口通信模块将数据传输给计算机，最终得到压电陀螺的导纳的实部和虚部，绘成曲线和导纳圆，并且计算机通过串口通信与单片机进行连接，从而用单片机控制正弦波发生器。

4.根据权利要求1所述的一种压电陀螺的导纳圆测量装置，其特征在于，所述正弦波发生器为可编程正弦波发生器，输出频率由计算机控制。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种压电陀螺的导纳圆测量装置，其特征在于，所述装置，给压电陀螺施加正弦波，使其产生振动，当正弦波的频率与压电陀螺的某一模态的固有频率相等时，其导纳的实部取极大值，虚部接近于零，随着频率的改变，该模态在压电陀螺导纳的实部和虚部构成的坐标系上形成导纳圆。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种压电陀螺的导纳圆测量装置，其特征在于，所述压电陀螺对不同的正弦波表现出不同的导纳特征，如果检测出有多个振动模态，则导纳圆的实部和虚部构成多个圆，当压电陀螺的静态电容变化时，导纳圆上下移动。

7.一种采用权利要求1-6任一项装置的压电陀螺的导纳圆测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S3：当正弦波的频率与压电陀螺的某一模态的固有频率相等时，其导纳的实部取极大值，虚部接近于零，横坐标表示电导即导纳的实部，取纵坐标表示电纳即导纳的虚部，随着频率的改变，该模态在压电陀螺导纳的实部和虚部构成的坐标系上形成导纳圆，从而完成压电陀螺的导纳圆测量。

8.根据权利要求7所述的一种压电陀螺的导纳圆测量方法，其特征在于，所述方法采用压电陀螺的等效电路，所述压电陀螺的等效电路包括静态支路和动态支路，两个支路通过并联方式连接，其中静态支路只包括一个静态电容C0，动态支路由动态电阻R1、动态电感L1和动态电容C1串联而成；等效电路中静态电容表示陀螺在静止状态下电极之间的杂散电容；等效电路中的动态电阻、动态电容和动态电感分别表示陀螺的机械阻抗、机械柔量和机械质量；

9.根据权利要求7或8所述的一种压电陀螺的导纳圆测量方法，其特征在于，所述方法能进一步得到以下参数：

串联谐振频率Fs，表示压电陀螺的的工作频率点；

并联谐振频率Fp；

最大导纳频率Fm，此时的压电陀螺的阻抗最小；

最小导纳频率Fn，此时的压电陀螺的阻抗最大；

谐振频率(B＝0)Fr，表示阻抗相位为零的较低的频率；B指导纳的虚部，纵坐标等于零；

反谐振频率(B＝0)Fa，表示阻抗相位为零的较高的频率。